家用太阳能供暖供水系统设计开题报告

2021-03-11 00:30:51

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1.1设计背景说明

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，为人类创造了一种新的生活形态。我国疆域辽阔，太阳能资源丰富，未来太阳能将被大规模用于发电。利用太阳能发电的方式有多种，目前已实用的主要有以下两种，即光-热-电模式和光-电模式，其中光-电模式即是利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能。

在我国部分地区尤其是农村，区域供暖难以实现，而部分家庭供暖仍采用传统的燃烧劣质煤炭，燃烧木柴等效率低下又污染环境的方式，因此，用一套完善的家用光伏发电供暖供水系统来替代原有的取暖方式十分必要，它不仅可以减少对环境的破坏，甚至可能产生更高的经济效益。

1.2 1.2国内外研究现状

在国内，张永超学者根据东北农村地区取暖的需求，提出了一种利用光伏电池结合远红外加热装置冬季供暖以及无须供暖时将光伏电池电能无差拍并网的方案，很好地解决光伏供电给远红外发热取暖和并网发电的问题[1];从景等学者则结合对房屋的能量损耗进行评价与分析，提供几种不同太阳能光伏发电采暖方案．解决了北京市农村地区冬季供暖问题[2];罗赟学者以广西南宁某偏远地区为项目地点，依据典型家庭的日常用电负荷统计结果，在光伏设计软件 PVsyst 中设置相应参数，而后进行模拟仿真优化计算，得到完全满足用户电能需求的系统[3]。

在国外，Sumit Tiwari等学者提出了一个基于能量平衡方程开发的无负载热模型——光伏热综合温室系统（PVTIGS），可用于发电，空间加热，增加生物气的生产，作物栽培和作物干燥方面[4];Qingqing Xu, StevanDubljevic的论文解决了控制太阳能热存储系统的问题，以实现期望的热舒适水平和能量节省，通过使用能量保持离散化来获得集成能量系统的离散模型[5];M. Imtiaz Hussain在其期刊中系统评估了集中光伏热电（CPVT）系统的能源潜力和经济可行性，作为电力，煤油和柴油替代温室加热，证实了光伏热电系统的高经济效益[6]。

上述研究表明，对偏远的农村地区，针对当地的气候条件设计符合要求的光伏发电供暖供水系统不仅能解决当地用电的难题，还能产生高的经济效益，因而越来越多的学者开始投入这项研究之中。同时，对模型的不断优化才能产生更高的经济和社会效益，光伏发电的领域还有很多值得我们深究与研探的方向。

1.3设计的社会意义

近年来，环境污染和生态破坏等相关问题成为全球最受关注的话题之一，使得新型清洁能源的开发和利用成为重要课题。目前，世界对太阳能光热和光电的研究正在稳步前进，研究领域十分广泛。

光伏产业目前处于高速发展阶段，是一种技术、资金密集型的行业。应用太阳能光伏系统对社会具有多方面的好处。包括遏制化石能源的过度消耗，环保，保证能源安全，提高对空间面积的利用率等，这对化石能源消耗迅速的我国尤为重要。除了减排效益外，与其他供电设备相比，太阳能光伏系统的维护成本较低，使用安全，而且可以实现零噪声。另外，采用独立式光伏系统还可以解决贫困偏远地区用电难的社会问题。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容概述

本次毕业设计的主体内容是设计一个合理完善的通过光伏发电给房屋供暖和供热水的系统。其中光伏发电部分主要运用太阳能电池的光生伏特效应进行太阳能到电能的转换，经逆变器等设备将直流电转换为可用的交流电。供暖部分则是通过电加热器加热水，利用热水在暖气片内循环已达到供暖的目的。供热水原理类似，只是热水存储在水箱内，随时供取用。同时加入温度显示与调节装置，便于使用。

2.2拟采取的方案及描述

本次毕业设计的主系统方框图如下，主要包含光伏发电模块、控制模块、供暖模块、供热水模块、温度显示模块等5个模块，同时，考虑到系统的稳定运行，增加市电作为整个系统的后备电源。

系统框图描述：

（1）（1）光伏发电模块：系统主要包括太阳能电池板、控制器、逆变器、保护装置、自动转换开关(ATS)、蓄电池等。其中太阳能电池板负责将太阳能转化为电能；蓄电池用于存储电能；控制器决定太阳能电池板的发电、逆变器运行、开关的自动转换等工作；逆变器负责将电池板或蓄电池中的直流电转换成交流电；保护装置负责对系统及家庭低压配电网进行保护，以确保系统稳定运行。。

（2）（2）供暖模块：主要采用热水供暖方式。即通过电加热器将来自水泵的水加热到合适温度，通过暖气片的管道，将热量散发到室内，冷却的水通过管道循环流过加热器再次加热，以达到在需要的时候持续供暖的目的。室内安装温度传感器反馈温度给控制模块，便于温度调节。

（3）（3）供热水模块：原理类似供暖模块。同样是通过电加热器将水泵里取得的水加热到适宜的温度并储存在具有保温功能的水箱中。在需要时取用。同时，水箱内含温度传感器，反馈给控制系统，再在温度显示模块中显示出来。

（4）（4）控制模块：控制整个系统运行。当有供暖或热水的需求时，相关模块发信号给控制模块，控制模块调节光伏发电系统为其提供所需的电力进行电加热等操作以达到相应目的。同时，控制系统将供暖和供热水模块反馈的温度信息通过温度显示模块指示出来，便于调节。

（5）（5）温度显示模块：显示室内温度和热水储水装置温度。

（6）（6）后备电源：当连续阴雨天气使得光伏发电系统无法为其他模块提供充足的电力供应时，选择市电为相关系统提供电能，保证系统的稳定运行。

3. 研究计划与安排

第1周：确定设计题目，了解设计方向及基本内容；

第2周：根据所需设计内容及相关技术原理查阅相关资料；

第3周：撰写开题报告；

第4周：翻译外文参考文献；

第5-6周：完成整体方案设计，光伏发电原理分析；

第7-8周：光伏发电系统设计；

第9-10周：供暖控制系统设计；

第11-12周：供热水系统设计；

第13周：指示、显示电路设计；

第14周：系统参数分析及仿真；

第15周：整改提交论文终稿，准备；

第16周：答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张永超.东北农村户用型光伏系统控制策略[J].山东电力技术，2016,43(1):54-58

[2]丛景,鞠振河,雷彩娟.北京地区房屋保温评估及冬季采暖与太阳能利用[J].太阳能,2015(4):56-61

[3]罗赟.基于PVsyst的独立光伏系统设计[J].信息通信，2015(5):53-55

[4] Sumit Tiwari, Jasleen Bhatti, G.N. Tiwari, I.M. Al-Helal.Thermalmodelling of photovoltaic thermal (PVT) integrated greenhouse system for biogasheating[J].Solar energy,136(2016):639-649

[5] Qingqing Xu,Stevan Dubljevic. Modelling and control of solar thermal system with borehole seasonalstorage[J].Renewable Energy,100(2017):114-128

[6] M. Imtiaz Hussain, Asma Ali,Gwi Hyun Lee. Multi-module concentrated photovoltaic thermal system feasibility forgreenhouse heating: Model validation and techno-economic analysis[J].Solar energy,135(2016):719-730

[7] Swapnil Dubey,Andrew A.O. Tay. Testing of two different types of photovoltaic–thermal (PVT) modules with heat #64258;ow patternunder tropical climatic conditions[J]. Energy for SustainableDevelopment ,17 (2013) :1–12

[8] H. Jouhara, J.Milko, J. Danielewicz, M.A. Sayegh, M. Szulgowska-Zgrzywa,J.B. Ramos, S.P.Lester. The performance of a novel #64258;at heat pipe based thermal and PV/T(photovoltaicand thermal systems) solar collector that can be used as an energy-activebuilding envelope material[J]. Energy, 108 (2016):148-154

[9]蒲泽伟,吴敏,强巴索朗，耿敏龙.高原地区家用光伏发电系统的设计应用[J].能源与节能,2016(9):71-72

[10]路宾，郑瑞澄,李忠,何涛,张昕宇,王敏.太阳能建筑应用技术研究现状及展望[J].建筑科学,2013,29(10):20-25

[11]杨鲁溪.小型户用光伏发电系统的设计[J].农业科技与设备，2013(12):35-37

[12]辛侠朋,王炎,孙海翔. 基于太阳能光伏发电家庭式辅助供暖系统[J].中国科技投资,2016(7):233,156

[13]陈馨.太阳能光伏发电在农村屋顶应用的成本利润分析及风险控制[J].经营管理者,2015(27):21

[14]陈慧子,石惠娴,裴晓梅,游煜成,朱洪光.太阳能光伏-地源热泵式供能植物工厂空调系统[J].建筑节能，2013(11):1-8,20

[15]谢皖民.太阳能光伏电加热沼气池系统的设计[J].甘肃农业，2014(15):38-39

[16]任育才,周毅.太阳能光伏发电供水系统在黄土高原的应用[J].能源与节能,2014(11),221-223

[17]曾智虹.家用太阳能光伏发电技术应用探索[J].国网技术学院学报,2016(5):59-61

[18]李韶杰,汤芳芳,董月,黄欣研,韩鲁冰,朱康雕.基于单片机的光伏发电自动供水系统的设计与研究[J].通信电源技术，2014(5):10-12

[19]吴发云,韩宏伟.一种远控防盗光伏电源提水供水系统[J].黑龙江科技信息，2015(31):106

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